Передовые беспроводные технологии определения углеводородных газов теперь в России. Беспроводной датчик углеводородных газов Dräger GasSecure GS01

Вступление

Благодаря инновационному подходу к энергосбережению и системе автономного питания, GS01 может непрерывно проводить измерения углеводородных газов в условиях промышленных предприятий в течение двух лет. Новинка не требует повторной калибровки и позволяет экономить до 80% всех проектных расходов.

Датчик Dräger GasSecure GS01 сочетает работу по протоколу SafeWireless™ и передовую конструкцию измерительной схемы, использующую микроэлектромеханический фильтр (МЭМС-фильтр). Протокол SafeWireless™ обеспечивает малое время отклика. Применение МЭМС-фильтра, работающего на трех длинах волн, гарантирует стабильное обнаружение газов в течение всего срока службы прибора без необходимости калибровки. GS01 соответствует требованиям SIL2, включая аппаратное и программное обеспечение, а также беспроводную связь для интеграции в автоматизированные системы безопасности. Датчик имеет взрывозащиту вида «искробезопасная цепь» и работает автономно от батарей, заменяемых в полевых условиях. По совокупности возможностей GS01 не имеет аналогов. Теперь он доступен и в России.

Основные требования к беспроводным КИП, входящим в состав систем обеспечения безопасности

Беспроводные контрольно-измерительные приборы (КИП), как правило, имеют автономное электропитание от батарей, что естественным образом накладывает определенные ограничения на энергопотребление таких КИП. Это ограничивает, в том числе, и частоту передачи измеренных значений от КИП на контрольные устройства. Для большинства измерений в технологических процессах это ограничение не является критичным, так как измеряемые параметры не подвержены резким изменениям.

Для систем, обеспечивающих безопасность, картина складывается по-другому. Для гарантии надежного и своевременного обнаружения опасных ситуаций необходим непрерывный мониторинг с минимальным временем отклика. Таким образом, основная трудность в разработке беспроводной системы безопасности заключается в гарантии минимального времени отклика и, при этом, сохранении ресурса батареи на приемлемом уровне. Кроме того, требуется полный контроль за всеми передаваемыми сетевыми сообщениями в беспроводной системе и немедленное обнаружение потери связи с беспроводным КИП.

При работе в беспроводной сети КИП датчик газов GasSecure GS01 удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям.

ТОПОЛОГИЯ БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ КИП

Простейшая сетевая топология – это «звезда». В топологии «звезда» точка доступа непосредственно связывается с каждым датчиком в своей сети. Эта топология снижает время ожидания в сети благодаря непосредственным связям. При использовании нескольких точек доступа могут быть назначены резервные связи (см. рисунок 1).

Рисунок 1: Пример сетевой топологии «звезда» с двумя точками доступа. Вторичный (запасной) маршрут связи показан пунктирной линией.

Ячеистая топология (см. Рисунок 2), в которой организованы дополнительные беспроводные ретранслирующие связи, предлагает более совершенную организацию сети. Одновременно с выполнением функций ретрансляторов (роутеров) датчики GS01 сохраняют полный функционал по обнаружению и измерению содержания углеводородов. Ячеистая топология используется для расширения зоны покрытия сети посредством введения промежуточных связей, также она обеспечивает повышение надежности связи за счет организации резервных путей передачи информации. В случае, если первичный путь передачи информации от полевого устройства заблокирован или стал недоступен, станция управления сетью может выбрать для передачи данных резервный путь.

Рисунок 2: Пример ячеистой сетевой топологии. Два датчика функционируют как роутеры. Резервный маршрут связи показан пунктирной линией.

Другим важным параметром в ячеистой сетевой топологии является допустимое число промежуточных ретранслирующих связей (радиорелейных передач) с полевых устройств на точки доступа.

Увеличение числа ретранслирующих связей позволяет расширять сеть расстановки датчиков, покрывая значительные расстояния. Отрицательная сторона организации подобной сети – это увеличение времени задержки передаваемой информации и увеличение нагрузки на датчики, выступающие в роли роутеров, что, в свою очередь, приводит к увеличению их энергопотребления. Нужно иметь в виду, что время отклика датчика GS01, равное 5 с, гарантировано при использовании не более чем двух ретранслирующих связей.

Процедура развертывания беспроводной системы контроля загазованности достаточно проста. Датчики газов размещаются на предполагаемых позициях и включаются.

Впоследствии каждый датчик будет связан с доступной точкой доступа и станцией управления, получив образ сети, информацию о доступных коммуникационных маршрутах и их качеству. Совокупная информация о сети хранится в станции управления (шлюзе), которая отвечает за установление взаимодействий в сети.

Станция управления (шлюз) постоянно контролирует состояние сети, следя за тем, чтобы взаимодействия в сети всегда были оптимальными и адаптированными к изменениям в топологии.

СТАНДАРТ СЕТИ БЕСПРОВОДНОГО ДАТЧИКА

Существует несколько стандартов и протоколов передачи данных, которые могут быть выбраны для связи с беспроводным полевым оборудованием. Для систем, обеспечивающих безопасность стандарт ISA100 Wireless™ является наиболее подходящим вариантом по следующим причинам:

• Объектная ориентированность облегчает выполнение специфических задач клиента и интегрирование безопасных протоколов передачи данных.
• Согласованная связь (запрос-ответ) гарантирует ограничение по пропускной способности, задержкам передачи сигнала и приоритету данных.
• Функциональная совместимость обеспечивает поддержку работы в беспроводной сети устройств различных производителей.

Стандарт ISA100 разработан Международным обществом по автоматизации (ISA). Этот стандарт предназначен для организации надежной и защищенной работы беспроводной сети, выполняющей задачи по обеспечению безопасности, контроля и мониторинга.

Датчик газов Draeger GasSecure GS01 полностью поддерживает стандарт беспроводной связи ISA100 и очень просто интегрируется в единую беспроводную сеть совместно с другими беспроводными КИП, работающими по этому стандарту.

СООТВЕТСТВИЕ ТРЕБОВАНИЯМ SIL2

Концепция беспроводной связи по протоколу SafeWireless разработана для удовлетворения двум основным критериям: низкое энергопотребление и быстрое время отклика.

В дополнение ко всему, эта концепция гарантирует контроль над всем трафиком в сети и моментальное обнаружение потери связи с полевым оборудованием.

Безопасная связь основана на циклическом обмене сообщениями, при котором каждый пакет данных, передаваемых в сети, требует подтверждения получения.

Любой обмен данными в сети инициируется контроллером, отправляющим пакет данных, который требует подтверждения в течение так называемого безопасного времени ожидания ответа. Для обнаружения углеводородных газов этот временной интервал, как правило, принимается равным 60 секундам.

Как только контроллер получает ответ от полевого устройства, он незамедлительно отправляет следующий запрос. Если полевое устройство не ответило до окончания времени ожидания ответа, тогда это устройство помечается в системе как недоступное.

Связь по протоколу SafeWireless также удовлетворяет требованиям стандарта IEC 61508, определяющего уровни полноты безопасности (SIL). Кроме того, поддерживается механизм обработки четырех типов ошибок: счетчик последовательности, превышение безопасного времени ожидания ответа, кодовое имя устройства и непротиворечивость данных. Цель этих механизмов состоит в обнаружении ошибок оборудования, отвечающего за безопасность в части, например, потери пакетов данных, недопустимой задержки отклика в сети, ошибки битов и повторного воспроизведения.

Существует несколько путей для реализации вышеприведенных задач. Выбором GasSecure стал профиль PROFIsafe стандарта PROFINET из-за широкого его использования в задачах по обеспечению безопасности и управления технологическими процессами.

СВЯЗЬ ПО ПРОТОКОЛУ SAFEWIRELESS

Для достижения устойчивой и надежной беспроводной связи рекомендуется совершать несколько передач пакетов данных в течение безопасного времени ожидания ответа.

Для датчика GS01, с учетом баланса между потребляемой мощностью и обеспечением надежности связи, рекомендуется совершать 3-4 акта связи в пределах времени ожидания ответа, таким образом достигается передача пакетов данных каждые 15-20 секунд.

Для задач обеспечения безопасности существует общепринятое ограничение допустимого интервала времени, за который контроллер системы должен получить измеренную концентрацию углеводородного газа от датчика. Этот интервал составляет 7 секунд. Для того, чтобы достичь такого отклика, необходимо установить временные столы передачи пакетов данных на контроллер с частотой в 2 секунды. В процессе настройки беспроводной системы контроля углеводородов нужно установить данный параметр в шлюзе сети (станции управления).

При отсутствии углеводородов не все временные слоты будут использоваться для передачи пакетов данных на контроллер, и датчик будет связываться с управляющим устройством один раз в 15-20 секунд, тем самым уменьшая среднюю потребляемую мощность.

В присутствии углеводородных газов датчик GS01 должен передать информацию о концентрации без задержек в течение 7 секунд. Тем не менее, датчик опрашивается только раз в 15-20 секунд. Таким образом, если бы датчик сразу ответил на запрос данных с контроллера, он бы не смог сообщить концентрацию газа контроллеру, в случае возникновения загазованности, до момента получения следующего запроса от контроллера.

Эта очевидная дилемма решается посредством протокола передачи информации SafeWireless, которая предполагает задержку ответа полевого оборудования до момента времени непосредственно перед получением следующего запроса от контроллера. Таким образом, «слепая зона» сохраняется в пределах двух секунд (интервал временного слота), и датчик всегда готов мгновенно передать информацию о концентрации газа.

Рисунок 3: Связь по протоколу SafeWireless при условии отсутствия углеводородных газов. Запросы данных от контроллера (черные стрелки), как правило, отправляются 3 – 4 раза в минуту и датчик GS01 отвечает на них (зеленые стрелки) непосредственно перед получением следующего запроса от контроллера. Голубые и желтые стрелки показывают, соответственно, доступные временные слоты для отправки запроса и ответа на него.

Рисунок 4: Связь по стандарту SafeWireless при условии присутствия углеводородных газов. При появлении газа датчик отвечает мгновенно (красные стрелки), при этом используя первый доступный временной слот для ответа на запрос (желтые стрелки). В условии присутствия газа частота обмена данными увеличивается, то есть используются все временные слоты для направления запроса (голубые стрелки).

Концепция использования двух моделей связи «Нет газа» и «Есть газ», показанная на Рисунке 3 и 4, уникальна для датчика GS01 от GasSecure.

РЕЗЕРВИРОВАНИЕ В БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ

Безопасные системы проектируются с целью избежать ситуаций, когда отказ одного элемента может привести к отказу всей системы. Существует несколько путей для обеспечения резервирования в полевой беспроводной сети.

Возможность организации резервных маршрутов передачи данных посредством датчиков в режиме роутеров, как это описано в разделе «ТОПОЛОГИЯ БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ», обеспечивает резервирование на уровне полевого оборудования.

Тем не менее, в задачах обеспечения безопасности резервирование может также требоваться в системе управления (резервирование шлюзов, станций управления, точек доступа и контроллера).

Для шлюзов (включая станцию управления), резервирование, как правило, достигается применением двух модулей шлюзов, располагаемых бок-о-бок и соединенных кабелем синхронизации. Основной модуль находится в рабочем режиме в то время, как резервный модуль функционирует в режиме ожидания, но все время синхронизируется с основным. В случае, если основной модуль выходит из строя, резервный шлюз принимает его функции за доли секунды.

Резервирование на уровне точек доступа согласно стандарта ISA100 Wireless относится к технологии Duocast. В сущности, технология Duocast поддерживает режим функционирования беспроводной сети полевого оборудования, при котором осуществляется параллельная передача данных на 2 точки доступа (см. Рисунок 1). Тем самым обеспечивается резервирование маршрута передачи данных, и в случае, если возникнет неисправность в одной точке доступа, резервная точка доступа продолжит функционирование.

Таким же образом, наличие двух или более контроллеров позволяет организовать резервирование на верхнем уровне управления беспроводной сети. Это также поддерживается стандартом ISA100 Wireless.

УНИКАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОБНАРУЖЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

Датчик GasSecure GS01 применяет совершенно новую однолучевую технологию обнаружения углеводородных газов с ультранизким энергопотреблением. Эта часть статьи объясняет суть данной технологии и то, как ее применение позволяет не калибровать датчик в течение всего срока эксплуатации.

Датчик GasSecure GS01 использует инфракрасную абсорбционную спектроскопию. Этот метод измерения основывается на поглощении инфракрасного излучения на специфических для конкретного газа длинах волн. Молекулы определенного газа будут поглощать свет на определенных длинах волн. Большинство углеводородных газов, включая метан и пропан, поглощают инфракрасное излучение на длине волны в районе 3,3 мкм.

Датчик GS01 сравнивает интенсивность света на длине волны, поглощаемой молекулами углеводородов (измерительная длина волны) с интенсивностью света на соседних длинах волн, на которых не происходит поглощения (опорные длины волн).

Таким образом, датчик GS01 рассчитывает концентрацию газа из отношения интенсивности света на измерительной и опорных длинах волн.

Стоит также отметить, что на всех длинах волн (на измерительной и опорных) другие атмосферные составляющие, такие как водяной пар, азот, кислород или диоксид углерода будут поглощать излучение.

Принцип инфракрасной спектроскопии основан на законе Бера-Ламберта:

где Т – это пропускание на специфической длине волны, А – коэффициент поглощения молекулами определенного газа, N – концентрация газа, L – длина измерительного луча, проходящего в объеме измерительной кюветы. Измеряя Т и зная A и L, может быть вычислена концентрация N.

Рисунок 5: МЭМС-чип фильтра

Измерение, само по себе, не является сложной задачей, так как взрывоопасные углеводороды в воздухе, как правило, поглощают более 10% излучения в полосе частот около 3,3 мкм на длине пути измерительного луча в 13 см, который реализован в GS01.

Более сложная задача – это создать датчик газов для сложных условий окружающей среды с фактическим отсутствием дрейфа нуля и шкалы в широком диапазоне температур эксплуатации. Такая конструкция существенно сокращает эксплуатационные расходы, благодаря отсутствию необходимости калибровки.

ОБНАРУЖЕНИЕ НА ТРЁХ ДЛИНАХ ВОЛН

Несмотря на наличие большого числа вариаций, в конструкцию традиционных точечных инфракрасных датчиков в обязательном порядке входят широкодиапазонные источники света, оптические фильтры, разделитель луча и твердотельные фотоприемники. Фильтры пропускают необходимые длины волн излучения, поступающего с широкодиапазонного источника света, для измерительного и опорного канала.

Подход GasSecure отличается от стандартного благодаря применению высокотехнологичного МЭМС-фильтра.

Этот фильтр является запатентованным компанией GasSecure кремниевым чипом (см. Рисунок 5), который осуществляет процесс дисперсии света, фокусирует и модулирует луч с нужной длиной волны. Путем подачи к такому чипу контрольного сигнала напряжения с частотой 1 кГц осуществляется переключение между режимом измерения газа (когда на фотоприемник фокусируется измерительная длина волны) и опорным режимом (когда на тот же фотоприемник фокусируется опорная длина волны).

Необходимо отметить, что опорный режим предполагает фокусировку луча с двумя диапазонами длин волн, расположенных справа и слева от диапазона измерительных длин волн. Рисунок 6 показывает графики распределения энергии излучения на соответствующих длинах волн после прохождения МЭМС-фильтра. Рисунок 6 (а) показывает случай отсутствия в воздухе углеводородов, а Рисунок 6 (b) – случай наличия в воздухе метана. Молекулы метана поглощают свет в диапазоне длин волн режима измерения, но не поглощают свет в диапазоне длин волн опорного режима.

Рисунок 6: Работа фильтра при обнаружении углеводородов, соответствующая двум режимам МЭМС-чипа (зеленый = режим измерения и пурпурный = опорный режим), (a) в отсутствии углеводородных газов и (b) в присутствии метана.

Концентрация газа вычисляется из отношения интенсивностей излучения, достигающего фотоприемник, в обоих режимах. Таким образом, любые другие факторы, влияющие на интенсивность, например, изменение интенсивности излучения источника или загрязнения оптики, эффективно устраняются, так как эти факторы будут в равной степени влиять на интенсивность в обоих режимах (измерительном и опорном). Схематически это показано на Рисунке 7.

Кроме того, использование двух диапазонов длин волн в опорном режиме, расположенных симметрично по обе стороны от измерительной длины волны, позволяет скорректировать ошибки, связанные с распределением энергии излучаемых длин волн конкретного источника. Линейные смещения спектра излучения приведут к увеличению интенсивности в одном из диапазонов опорных длин волн, но, в то же время, интенсивность излучения в другом (симметричном) диапазоне опорных длин волн уменьшится на ту же величину. Таким образом, суммарная интенсивность излучения в диапазоне опорных длин волн останется постоянной. Следовательно, концентрация газа измеряется более надежно. Этот принцип измерения газа, основанный на однолучевой технологии на трех длинах волн, является уникальным для датчика GS01 от компании GasSecure.

ОДНОЛУЧЕВАЯ КОНСТРУКЦИЯ

Как уже упоминалось ранее, МЭМС-чип выполняет несколько процедур, а именно, осуществляет дисперсию и переключение с фокусировкой нужных длин волн для режима измерения и опорного режима.

Рисунок 7: Сигнал с детектора в случае отсутствия/наличия газа и чистой/загрязненной оптики. Нужно отметить, что используемое для вычисления концентрации отношение (глубина модуляции) интенсивностей излучения в измерительном режиме и опорном режиме остается неизменным при чистой и загрязненной оптике.

Это, в свою очередь, позволяет упростить конструкцию измерительной части датчика, применив минимальный набор компонентов: один источник ИК-излучения, одно зеркало и окошко, один МЭМС-чип и один фотоприемник (См. Рисунок 8).

Таким образом, для обоих режимов используется один и тот же путь прохождения света и одни и те же компоненты схемы.

Старение ИК-источника или фотоприемника не будут оказывать воздействие на работу датчика, потому что для обоих режимов используются одни и те же компоненты оптического канала. Кроме того, МЭМС-чип является надежным и стабильным электронным компонентом. МЭМС-чип отфильтровывает различные длины волн за счет вытравленных областей на кристалле, имеющих определенный рельеф поверхности. Свойства этих областей не зависят от времени, то есть, не подвержены старению.

Благодаря этой запатентованной технологии измерения концентрации углеводородов, датчики газов GasSecure GS01 не требуют калибровки в процессе эксплуатации и остаются стабильными в течение всего срока службы.

Рисунок 8: Принцип устройства датчика GS01. Схема показывает основные компоненты оптического тракта.

Международный опыт применения датчика GS01

На данный момент более 40 объектов нефтегазовой отрасли от Аляски до Австралии используют системы беспроводного обнаружения газов с ИК-датчиком углеводородных газов Dräger GasSecure GS01. Область применения включает разведку и добычу нефти и газа, в том числе и в море, нефте- и газоперерабатывающие предприятия, хранение и транспортировку нефтепродуктов.

Датчик GS01 нашел применение в рамках комплексных проектов таких компаний, как Statoil, ExxonMobil, Chevron, Shell, Petronas и многих других.

Dräger